基于有限元法的水下作业型ROV框架结构设计分析

框架结构设计是ROV潜器自主研制的关键环节之一。针对框架结构设计中的强度计算和钢材选型问题,用有限元方法建模,进行了计算、分析和讨论。介绍了3种ROV框架设计方案,分别建立三维有限元模型,并依据强度设计准则对各方案的结构进行校核。综合考虑重量和强度因素给出了较优设计方案,还对框架结构中的钢梁选型设计和尺寸设计进行了讨论。结果表明,ROV框架结构的钢梁建议选用方形空心型钢,且相对于方形空心型钢截面的壁厚而言,边长的变化对框架结构应力的影响较为显著。     

深海作业型带缆水下机器人关键技术综述

带缆水下机器人是深海勘探或采油的重要工具之一.近年来,国内外学者对其开展了广泛研究,部分成果已应用于工业生产环境.针对带缆水下机器人,从总体设计、脐带缆动力学、水动力性能、运动姿态控制以及水下机械手和作业装备等研究现状以及发展趋势进行分析综述.在总体设计方面,市场化与低成本技术使水下机器人使用前景更加广阔,针对各类特定任务的轻型和重型水下机器人发展极快;在水动力方面,机器人本体与脐带缆和机械手的耦合效应非线性较强,目前本体动响应预测精度不足,导致基于运动反馈的控制算法效果欠佳;在控制方面,滑模控制算法由于不依赖动力学响应而获得了较多应用,而基于模糊理论和神经网格的方法验证不够充分;在深海作业方面,多个刚体铰链外加抓具的结构是水下机械手最为常见的形式.扩展工具成为机械手的强有力补充,使水下机器人在深海资源获取中越来越不可替代.     

缆控布放大型潜器水下钟摆运动仿真

为了对潜器下潜拉动缆绳产生的钟摆下潜运动过程进行研究,采用集中质量法进行缆索系统建模,得到潜器速度、缆绳形态和缆绳张力的变化过程.结果 表明:缆绳张力极值发生在收紧缆绳初期,该阶段张力冲击短暂,但是幅值大,可达十几吨.在之后的下潜过程中,缆绳张力较小.整个运动过程中,潜器运动速度较低,在平衡位置的位移振荡幅值也较小,始终处于安全可控的状态.因而,除了初期具有张力冲击过大问题,其余阶段安全问题不突出.当收紧缆绳时,缆绳长度越长或倾角越大,缆绳张力冲击越弱,张力幅值也显著减小.     

水下作业机械手运动学分析与仿真

针对水下作业机械手难于实现负载能力与灵活性相统一的问题,设计了一种采用欠驱动机构的水下作业机械手,建立了该机械手的三维模型,并对机械手的工作原理和运动学特性进行了分析与仿真.从分析与仿真的结果可以看出,采用欠驱动机构可以解决机械手自由度数目、驱动方式、质量和灵活性之间的矛盾.该机械手采用液压方式实现对机械手11个自由度的驱动,具有驱动力大、结构简单、操作灵活的特点,可适应多种不同任务的水下作业需要.     

水下航行器近海底铺缆运动仿真研究

使用水下航行器进行铺缆较水面船铺缆有众多优势。为了快速有效地完成铺缆任务,该文对水下航行器近海底铺缆运动进行了仿真研究,分析了放缆速度、相对海流速度和航行高度等参数对铺缆运动的影响。在此基础上,为一台载人潜水试验艇拟定了近海底铺缆试验方案,并成功完成了试验任务。     

基于有限元法的渔船碰撞仿真

以一起3万吨商船碰撞渔船为例,在充分考虑几何非线性、材料非线性和接触非线性的基础上,对商船满载和压载两种工况下与渔船的碰撞进行了仿真研究,分析了不同速度工况下渔船的损毁情况、应力情况和总能量吸收规律等。结果表明:碰撞主要破坏渔船的局部结构,且发生时间很短;商船速度越快,渔船损毁越严重;渔船破损处的形状与商船的形状非常相似,结合商船航行记录及仿真结果有助于判断商船是否为肇事船舶。     

带缆水下机器人控制仿真模拟与水动力分析

本文以Fluent多重滑移网格技术对带缆水下机器人系统进行路径跟踪的仿真计算,将收放缆反馈控制与PID算法调节螺旋桨转速的双重控制策略应用于带缆水下机器人系统,并对带缆水下机器人系统升沉运动的控制误差、螺旋桨推力与转速之间的关系、缆绳系统的张力特性以及水下机器人的水动力响应做了分析。文中数值模拟结果表明,双重控制策略下,带缆水下机器人路径跟踪的控制运动较为精确,其升沉运动位移最大误差约为0.2 m;螺旋桨的转速与推力呈正相关性,转速越大,推力也越大;水下机器人沿预定轨迹运动过程中,缆绳系统张力呈现周期性震荡的变化规律,机器人主体受到的水动力荷载与多种因素相关。     

基于非线性有限元法的二维水下拖缆研究

水下拖缆研究是拖曳系统设计和使用的基础。由于受到水流力的作用,水下缆索呈现复杂的特性。本文首先推导了水下拖曳缆索的静力悬链线方程,将其结果作为非线性有限元方法的初始值;接着采用二节点等参索单元建立基于完全拉格朗日表述的增量平衡方程并使用牛顿-拉谱逊迭代法求解该方程;最后,采用Matlab编程,研究了该方法的收敛性及拖缆在重力、浮力和水流力作用下的形态与张力分布,得到了不同航速条件下缆索的形态及缆索张力的一些分布规律。     

基于有限元法的耙齿土壤切削仿真

针对耙吸挖泥船耙齿切削土壤的问题,提出了基于有限元的数值模拟方法。建立了耙齿和土壤的三维力学分析模型,充分考虑到土体的黏塑性并将修正的Drucker-Prager土壤模型作为土体的非线性有限元模型。利用LS-DYNA软件的动态显式算法对过程进行模拟,分析了不同切削深度以及不同切削速度下所得到的切削阻力,并通过理论方法对结果进行对比分析,验证了ALE(Arbitrary-Lagrange-Euler)算法在切削大变形问题上的可靠性,为耙齿进一步研究奠定基础。     

“蛟龙号”机械手水下作业的交互仿真设计

针对载人潜水器水下作业机械手操作人员的培训中存在培训成本高、安全风险大的问题,以我国第一台载人深潜器"蛟龙号"为仿真原型建立三维物理模型。采用D-H方法建立搭载机械手的运动学模型,并求出正、逆运动学解;利用VC++及OpenGL图形库搭建机械手运动学算法的验证与解算平台;基于虚拟现实技术、碰撞检测技术以及三维交互技术,调用运动学解算接口,实现机械手水下作业过程的交互仿真开发。     

布缆船的捞缆作业及捞缆装置

本文通过布缆船设计实践介绍了布缆船的特种装置一捞缆装置的组成及作用以及捞缆作业概况与特性。     

基于有限元法的螺旋式环保机具仿真研究

相对常规清淤工程,生态清淤施工有挖泥精度高、减少底泥扰动、高挖掘浓度等要求。针对这一生产需求,研发出一款螺旋式环保机具。该机具挖掘的泥浆浓度理论上大于60%,满足施工要求。根据设计要求,机具关键结构的强度和刚度应满足所有作业工况需求,但无法通过数学计算直接进行验算。利用有限元法分析复杂结构,采用整体建模方法构建机具仿真模型,并采用枚举法分析各作用力,模拟不同工况下的应力和形变,评估机具的强度和刚度。研究表明,机具各结构强度和刚度均满足作业需求;同时发现,深度缸和调向缸的上、下铰点存在位移差,螺旋刀组轴远、近马达侧的变形量也不同;最后提出可通过设计万向节来实现液压缸变形补偿,以防出现液压缸结构损坏。     

基于载人潜水器的深海敷缆运动仿真

提出了基于载人潜水器搭载海底敷缆装置的深海敷缆作业方式,建立了载人潜水器深海敷缆运动的二维稳态模型,仿真分析了余量敷缆时不同航行速度和放缆速度组合、潜水器相对海流速度、敷设余量、航行高度和海缆重量等参数对敷缆运动的影响。分析发现海缆张力随着敷设速度、潜水器相对海流速度、海缆重量的增大而增大,随着敷设余量的增大而减小;海缆水中位形曲线随着敷设速度、潜水器相对海流速度增大而趋于平缓,随着海缆重量的增大而更加陡峭,放缆速度的变化则对海缆位形曲线无影响;潜水器航行高度的变化对缆形和张力分布都没有影响,只是随着高度的增加,缆形和张力在原来的高度基础上有一定的延伸。     

基于高频连分式与有限元法的水下结构瞬态分析方法

本文针对水下结构与无限声学水域的流固耦合问题,建立了基于比例边界有限元法(SBFEM)连分式和有限元法(FEM)的瞬态分析方法。该方法分别采用SBFEM高频连分式和FEM方程模拟无限水域和水下结构等有限域。基于其耦合项,建立了连分式与FEM耦合公式。通过数值算例,讨论了连分式阶数对计算精度的影响,比较了连分式法和SBFEM卷积积分的计算效率。数值结果表明高频连分式可准确模拟无限水域的高频特性,并随着连分式阶数的增多,可合理模拟无限水域低频特性。该方法继承SBFEM的精度高、离散单元少等特点,又避免了其卷积积分,提升了计算效率,为水下结构瞬态响应分析提供了一种高效方法。     

水下脐带缆水动力性能分析

脐带缆的水动力性能对水下作业装备的设计具有重要意义,本文在建立水下脐带缆动力学模型的基础上,通过对边值问题微分方程的求解分析,对分段绑扎脐带和ROV携带自由端脐带两种工况进行了定量数值计算,为解决类似工程问题提供了有效途径。     

深潜器水下作业机械手

我所研制的深潜器水下作业机械手是一种深潜器用大型多关节液压械机手,近几年,经过多次试验室试验及海中试验,达到了各项试验指标,并能在海中完成拿取电缆和重物的作业,使用部门已经验收。这种水下机械手是近年来我国第一个试制成功的大型机械手,也是首次在海中完成水下作业的机械手。现将其主要性能介绍如下。     

基于高性能计算的水下爆炸数值仿真

集群技术为水下爆炸数值仿真提供了强大的高性能计算平台.基于高性能计算集群系统和ABAQUS水下爆炸并行计算技术,对遭受水下爆炸的舰船缩比模型进行了性能测试和算例验证,给出了针对特定计算规模的并行计算优化方案.该文研究结果为舰船水下爆炸的高精度数值仿真提供参考.     

基于ADAMS的水下扩展机构动力学仿真

为了分析水下扩展机构在不同驱动条件下的动态响应特性,本文建立了水下扩展机构的运动学模型和动力学模型,并利用ADAMS进行动力学仿真。通过仿真得到了水下扩展机构分别在恒速驱动与恒力驱动下,扩展臂的运动参数动态响应曲线,以及机构组成杆件运动副处的约束力随时间变化曲线。结果表明：在恒速驱动下,机构运动时间较长,到位时角速度较小机构能快速稳定;在恒力驱动下,机构动作较为平稳且运动时间短,但角加速度变化复杂,到位时角速度较大,到位后有震荡运动产生。本文的研究为后续驱动控制系统的设计提供理论基础,具有重要的工程实际价值。